工程地质学原理课件——第六章 地下工程

6.3 围岩的变形与破坏
地下洞室促使围岩岩性状发生变化的因素主要是： 卸荷回弹、应力重分布及水分重分布。 围岩变形破坏的形式与特点，出与岩体内的初始应力 状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。 围岩变形破坏是由外向内逐步发展的结果，常可在洞 室周围形成松动圈，围岩内的应力状态也将因松动圈内的 应力被释放而重新调整，形成一定的应力带。 岩体表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水 分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅进一步恶化围岩 的稳定条件，而且能使某些易于吸水膨胀的表部围岩发生 强烈的膨胀。
第六章 地下工程

概述
人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物统称为地下工程 分类 按其内壁是否有内水压作用：无压洞室、有压洞室 按其断面形状：圆形、矩形、马蹄形等 按洞室轴线与水平面对关系：水平洞室、竖井、倾斜洞室 按围岩介质类型：土洞、岩洞
1. 2.
制约长大隧道发展的因素： 施工技术 掘进技术、通风技术、支护衬砌技术 施工地质灾害 硬岩岩爆、软岩大变形、高压涌突水、 高地温、瓦斯突出等


6.2
地下开挖引起的围岩应力重分布

由于地下开挖，围岩就要向洞室内松涨位移，则改变 了相邻岩体的相对平衡关系，引起岩体内一定范围内的应 力、应变及能量重新调整，达到新的平衡状态。 把应力影响范围内的岩体称为围岩。 围岩内重分布应力状态与岩体的力学属性、天然应力 及洞室断面形状等因素密切相关。

吸水的岩石主要是富含粘土矿物（特别是蒙脱石）的塑性 岩石和硬石膏。 减压膨胀型的变形通常发生在特殊的岩层中


6.3.2.3
涌流和坍塌

涌流是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入 洞中的现象 多发生在开挖揭穿了饱水断裂破碎带的部分。 坍塌是松散破碎岩石中重力作用下自由垮落到现象 多发生在洞体通过断层破碎带或风化破碎岩体部分




6.3.1
脆性围岩的变形破坏
脆性围岩的变形破坏的形式和特点与岩体初始应力状态 及洞形所决定的围岩应力状态，主要取决于围岩的结构

6.3.1.1 张裂坍落
当铅直应力大于水平应力时，且具有厚层状或块状结构 的岩体中开挖宽高比较大的地下洞室是，在其顶拱常产生切 向拉应力。超过围岩的屈服强度，则顶拱围岩内就会产生近 于垂直的张裂缝。被裂缝切割的岩体中自重作用下变得不稳 定，若水平法向有软弱的结构面发育，往往发生顶拱塌落



在洞壁位置即 r=R0 时， 径向应力等于0，环向应力σθ 为2σ0 随着离洞壁越远，即r增大，径向应力逐渐增大，环向应 力逐渐减小。 当距离为6R0 时，环向与径向应力均接近天然应力状态 所以围岩应力重分布的6R0 范围的岩体，称为围岩

6.2.2
塑性围岩重分布应力



塑性圈和应力与岩体天然应力无关，而取决于支护力和圈 内岩体的强度 塑、弹性区交界面上的应力取决于天然应力和岩体强度， 与支护力无关 说明支护力不能改变交界面上的应力，只能控制塑性松动 圈半径的大小。


6.3.2.1 挤出
洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时 ，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力 的自由空间挤出。被挤出的岩体多是固结程度差，富含泥 质软弱岩层，以及挤压破碎或风化破碎的岩体。

6.3.2.2 膨胀
膨胀分为吸水膨胀和减压膨胀 洞室开挖后，围岩表部减压区的形成往往促使水分由 内部高应力区向围岩表部转移，结果可使某些易于吸水膨 胀的岩层发生强烈的膨胀变形。此外，暴露于表部的岩体 也会吸收空气中的水分。

6.2.1 弹性围岩重分布应力
假定一半径为R0的水平圆形洞室，深埋于均质、连续、 各向同性的弹性岩体中，开挖后仍保持弹性。 用弹性理论表述出围岩中任意一点M（r,θ）的力学模型
式中σr σθ τrθ 为别为M点的径向应力、环向应力和剪切 力，θ为M点的极角，自水平轴（x轴）起始，逆时针方向为 正，r为极距。
当天然的水平应力和铅直应力和洞室半径一定时，围岩内的 重分布应力σr σθ τrθ 是位置（r,θ）的函数。令r= R0 则洞壁应力为

上式表明：洞壁上的τrθ=0， σr=0，仅有σθ 作用，为 单向应力状态，其大小与水平应力、铅直应力和θ有关 当水平应力与铅直应力均等于σ0时则有
上式表明：当天然应力为静水压力状态时，圆形洞室围岩内 的重分布应力，因τrθ=0，σr σθ 均为主应力，且σθ 恒为最大主应力， σr 横为最小主应力。

6.3.1.4
岩爆
岩爆是围岩的一种剧烈的脆性破坏，常以“爆炸”的形 式出现。 岩爆的产生需要具备两方面条件： ① 高储能体的存在，即高强度、块体、或者厚层状的脆性 岩体，且应力接近于岩体强度。 ② 附加荷载的触发。一般是机械开挖、爆破及围岩局部破 裂造成的弹性震荡。开挖的迅速推进，或累积性破坏所 引起的应力突然某些部位集中。

6.3.1.2
劈裂
多发生在地应力较高的厚层块或者块体结构的围岩中， 较大的切向应力集中于边壁附近，在围岩表部发生一系列平 行于洞壁的破坏，将洞壁岩体切成板状结构，当切向压应力 大于其抗弯强度时，板状岩体将被压弯，折断，造成塌方

6.3.1.3 剪切滑动或剪切破坏
在厚层状或块体结构的岩体中开挖地下洞室时，在切向 压力集中较高，且有斜向断裂发育的洞顶或洞壁部位往往发 生剪切滑动类型的破坏


6.3.1.5
弯折内鼓

在层状，特别是在薄层状岩层中开挖地下洞室易发生 弯折内鼓。 这类变形破坏主要是卸荷回弹和应力集中使洞壁的切 向压应力超过薄层岩层的抗弯强度而造成 由卸荷回弹和应力集中所造成的弯折内鼓主要发生在 初始应力较高的岩体内。

6.3.2
塑性围岩的变形破坏
塑性围岩的变形破坏除与重力分布有关外，水分重分布 对其也有主要影响。